雙碳戰略驅動下城市軌道交通信號技術創新實踐

郜洪民，李 克

（中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所，北京 100081）

1 引言

2021年，中共中央、國務院相繼發布《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》和《2030年前碳達峰行動方案》，標志著以力爭“2030年碳達峰，2060年實現碳中和”為目標的國家雙碳發展戰略政策體系正式建立[1-2]。在此背景下，城市軌道交通（以下簡稱“城軌”）作為城市骨干交通方式，將迎來綠色、低碳、高質量發展的重要機遇期。

根據中國城市軌道交通協會統計，截至2021年12月31日，中國內地共有50個城市開通不同制式城軌運營線路283條，運營總里程達9 192.62 km，在建線路總規模6 096.4 km，總體規模和建設速度都居世界第一。2021年度，全國城軌總電能耗213.1億kW · h，同比增長23.6%；其中，牽引能耗106.2億kW · h，同比增長 26.4%，牽引能耗占總電能耗的比例為49.8%[3]。隨著新投運城軌線路的不斷增加，城軌行業總體能耗指標不斷增長，總電能耗和牽引能耗均達歷史最高。因此，以技術創新為手段，加快形成覆蓋規劃、設計、建造、運營、裝備的城軌全生命周期綠色低碳發展體系尤為必要。

信號系統作為保障城軌運輸安全效率、提升系統自動化水平、降低系統能耗的重要技術裝備，在促進城軌綠色低碳發展方面具有重要作用。本文重點從層次化互聯互通、一體化綜合自動控制、基于車-車通信全自主運行、智能運維等方面開展研究與論述，總結了雙碳戰略驅動下我國城軌信號技術的創新實踐和技術演進策略，以期為未來城軌信號技術發展提供參考和借鑒。

2 我國城軌信號技術發展態勢

我國城軌信號技術發展與應用總體上經歷了固定閉塞、準移動閉塞、移動閉塞三代技術迭代演進的過程，如圖1所示。

在20世紀90年代，以北京、上海、廣州等一線城市為代表，我國城軌領域開始進入規模化發展階段。然而，我國城軌信號技術自主研發工作卻長期滯后于城軌建設的發展需求，國內供貨商不能提供整套的與國外同類產品具有競爭力的信號系統，在城軌建設中只能進口整系統或關鍵子系統，由國內供貨商提供配套設備和部分技術服務。進入21世紀以來，在“政、用、產、學、研”協同創新體系支撐下，經過近20年的探索，最終在基于通信的列車控制（CBTC）移動閉塞制式系統層級上，我國城軌信號技術具備了自主提供成套技術裝備的能力，系統也達到國外同類技術水平。

CBTC系統由列車自動監督（ATS）、計算機聯鎖（CBI）、列車自動防護（ATP）、列車自動駕駛（ATO）、數據通信（DCS）、維護支持（MSS）等6大子系統以及附屬的計軸、應答器等設備構成，是一個融合通信、計算機技術，功能完備、層次分明的復雜安全苛求系統。基于列控系統配置及功能差異，按照IEC 62290-1：2014《軌道交通 城市軌道交通運輸管理和指令/控制系統 第1部分：系統原理和基本概念》[4]定義，城軌自動化等級（GOA）劃分為5個：GOA0～ GOA4 級，如圖2所示。

圖2 信號系統自動化等級定義

自2017年北京地鐵燕房線——中國首條自主研發的全自動運行地鐵線路開通以來，滿足GOA3/GOA4級的全自動運行系統（FAO）已經逐步發展成為我國城軌建設的主流制式，并且自主化FAO系統市場占有率已經超過80%。

隨著信息技術、網絡技術、通信技術的快速發展，城軌信號領域在互聯互通、云化部署、車-車通信、虛擬聯掛等新概念、新體制技術研發方面也已經取得階段性進展，為未來城軌系統提高運輸服務質量，實現提質增效、節能減排，助力雙碳目標實現夯實基礎。

3 雙碳目標下的城軌信號技術創新

3.1 層次化互聯互通技術

效能發揮最優化是城軌實現雙碳發展目標的現實需求。我國城軌在由線向網的發展過程中，網絡化特征愈發凸顯。截至2021年底，線網規模超過100 km，擁有4條及以上運營線路且換乘站3座及以上的城市共計24 個。然而，線網運力資源共享程度、客流強度、客流出行通達性等指標總體仍然偏低，未來城軌線網將從“形態網絡化”向“功能網絡化”轉變。《國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》[5]和《交通強國建設綱要》[6]的相繼發布，對建設干線鐵路、城際鐵路、市域（郊）鐵路、城軌“四網融合”的綜合立體交通網絡也提出了客觀要求。實現層次化信號系統互聯互通是實現這些目標的關鍵環節之一，具體包括以下幾個方面。

3.1.1 CBTC 系統互聯互通

實現城軌信號系統互聯互通是多年來行業發展的熱點和難點。國際上，歐洲鐵路行業協會（UNIFE）陸續開展了“互聯互通”列車控制技術的相關研究，旨在統一標準規范體系下，實現不同廠家系統相互融合，滿足跨線、共線運營需求，降低列車控制系統全生命周期成本，并先后在紐約、倫敦進行了探索和嘗試。但受限于松散的廠家合作形式，缺少行業協會和用戶單位強有力的引導和推動，最終都未能獲得成功。而我國隨著自主化CBTC系統技術成熟應用，具備了開展互聯互通工作的物質基礎。2015年，中華人民共和國國家發展和改革委員會將重慶環線、4號、5號、10號線建設為國家互聯互通示范工程，在中國城市軌道交通協會的指導下，重慶地鐵組織相關行業單位，全面立足于CBTC系統自主創新技術力量，采用從技術路線的制定、規范體系建設、系統設計、產品研發、系統測試與驗證、產品安全認證“正向研發策略”，規劃“單線運營-共線運營-跨線運營”3個建設階段，相互銜接，一體化推進。互聯互通CBTC系統架構如圖3所示。

圖3 CBTC互聯互通系統架構圖

歷時6年，取得以下成果：創立了包括CBTC信號和基于長期演進的城軌車地無線通信系統（LTE-M）在內的完整城軌信號系統互聯互通標準體系及技術方案；4個不同廠家研制了滿足互聯互通技術標準的GOA2級CBTC成套系統裝備；按照“硬件最小化，功能最大化”設計原則，搭建了完整互聯互通CBTC系統半實物仿真測試與驗證平臺；針對在互聯互通網絡化運營組織需求背景下，原有基于單線方式構建的調度指揮系統存在過軌列車計劃不易銜接、跨線晚點傳播不易控制、線路間調度命令無法便捷交互以及缺乏整體性的宏觀監控功能等問題，研發部署了全局調度系統，支持全網行車信息監視、網絡化運行計劃編制、跨線運營調整以及全網故障監測與應急處置功能，構建起多層次網絡化行車調度指揮體系。

2018年以來，在借鑒重慶CBTC互聯互通工程經驗基礎上，北京地鐵牽頭組織相關行業單位，依托北京地鐵3號、12號、17號和19號線開展了互聯互通GOA4級全自動運行系統的開發和示范工程，中國城市軌道交通協會發布了全自動運行系統系列標準規范，技術研發也已經取得階段性進展。

3.1.2 CBTC 與 CTCS 系統互聯互通

從世界范圍來看，基于干線鐵路和城軌技術相結合，滿足多網融合軌道交通運行需要正在成為行業未來發展熱點。歐盟提出的“歐洲鐵路合作伙伴”（Railway European Partnership）計劃所要達成的愿景目標就是開發互聯互通、即插即用、模塊化、可擴展、可升級的信號和列控系統；提高鐵路（包括區域和郊區鐵路、高速鐵路、貨運鐵路、輕軌等）運輸能力、準時性、鐵路系統彈性和靈活性，降低運營成本和能耗，滿足用戶需求和運營要求。而我國隨著建設干線鐵路網、城際鐵路網、市域（郊）鐵路網、城市軌道交通網“四網融合”綜合交通網絡上升為國家戰略，面對我國干線鐵路、城際鐵路采用的信號制式為中國列車控制系統（CTCS）技術體系，城軌采用的信號制式為CBTC技術體系，兩者互不兼容的現狀，研制一種能夠滿足多制式運行需求的通用列控系統成為行業共識。2021年，中國城市軌道交通協會發布的《城市軌道交通發展戰略與“十四五”發展思路》研究報告中，將研究“新一代智能地鐵列車多系統融合控制方案”及“跨制式通用列車控制系統”[7]納入重點任務。

近年來，有關行業單位結合京津冀、珠三角、長三角等都市圈“四網融合”軌道交通建設需求，開展了相關技術研究與驗證，已經制定出跨制式互聯互通列控系統總體方案，裝備研制也取得階段性進展。

列控系統能夠兼容并根據列車運行線路自動適配CBTC與CTCS-2的地面設備接口，在不同制式的線路上可處理接收到的相關信息并做出適當的反應，同時在CTCS-2與CBTC的重疊區域（區間或車站），車載系統可做到CTCS-2與CBTC運行制式間的無縫切換。兼容CBTC及CTCS-2的互聯互通車載設備，能夠滿足通過1套車載設備兼容CTCS-2線路與CBTC線路2種制式的全功能運行。

在CBTC運行制式線路上，列控系統具備CBTC制式下的所有車載功能；在CTCS-2運行制式線路上，具備CTCS-2制式下的所有車載功能；在CTCS-2與CBTC運行制式的共管區域，根據列車的運行方向及地面信息自動識別列車動向并無縫切換到相應運行制式，包括適配接口和轉換模塊等；使用一套駕駛臺顯示屏顯示列車在不同制式下的各種運行數據，并為駕駛員提供輔助駕駛信息。系統方案如圖4所示。

圖4 CBTC/CTCS-2跨制式互聯互通列車控制系統框圖

未來，兼容CBTC/CTCS跨制式互聯互通列車控制系統落地應用，將為雙碳戰略實施背景下我國軌道交通網絡化運營效能提升提供強有力技術支撐。

3.2 一體化綜合自動化控制技術

隨著我國城軌信號系統自動化水平的不斷提升，一體化綜合軌道交通控制技術應用也在逐步拓展。根據技術演進的過程，大致可以劃分為以下2個階段。

（1）階段1。早期的城軌信號系統方案中，列車ATS系統與綜合監控系統（ISCS）分立，以通信接口方式實現互聯。隨著FAO系統的推廣，全自動運行場景更加強調各機電系統的實時協同聯動，對打破既有系統邊界提出現實需求，基于ATS系統和ISCS系統深度集成的以行車指揮為核心的綜合交通自動化系統（Traffic Integrated Automation System，TIAS）概念逐步形成并落地應用。TIAS系統采用熱備、冗余、開放、可靠、易擴展的原則進行設計，采用統一、標準的服務器、網絡硬件設備、模塊化軟件以及標準的網絡通信協議，便于進行統一的網絡管理。通過設置各項故障隔離和抗干擾措施，各個子系統按照集成程度，可以采用深度集成（基于統一的軟、硬件平臺）、界面集成及互聯等不同集成方式。

（2）階段2。利用云平臺、大數據等新興信息技術對城軌行業進行云化賦能升級。2020年，中國城市軌道交通協會發布的《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》構建了涵蓋“8個智能（智慧）體系，1個城軌云與大數據平臺，1套智慧城軌標準規范”的智慧城軌發展規劃愿景[8]，建設框架如圖5所示。

圖5 中國智慧城軌建設框架

在此框架下，未來面向城軌運營核心業務需求，依托統一“城軌云平臺”，承載傳統各分立專業板塊業務，實現“面向行車指揮的智能調度監控、面向基礎設施的智能運維、面向業務流程的智能管理”將成為大勢所趨。

3.3 基于車-車通信的全自主運行技術

隨著計算機、通信、人工智能技術與軌道交通信號技術結合日益緊密，近年來，基于車-車通信的全自主運行（Autonomous Train Control System，ATCS）、虛擬編組新型列控技術研發成為國內外行業發展趨勢。ATCS系統變革了當前CBTC系統普遍采用的以地面設備為核心，列車通過“車-地-車”信息交互模式實現移動閉塞的傳統模式，采用以車載控制為中心的列車間隔和道岔/進路控制技術，取消傳統聯鎖和區域控制系統，將列車間隔控制邏輯從控制中心分散到每個列車上，列車基于自身位置、前行列車的位置和運行環境態勢等信息綜合感知，通過高可信、低時延無線通信技術實現“車-車”直接數據交互，自主做出運行決策，自主控制列車間隔[9]，如圖6所示。

圖6 基于車-車通信的列控系統

信息交互實時性的提升為進一步縮小列車追蹤間隔提供了可能。ATCS系統引入了基于前車相對速度追蹤的列車安全間隔防護技術，這是對傳統基于前車“瞬間停車”絕對位置追蹤列車制動模型的創新與突破，相應的虛擬編組列車制動模型如圖7所示。

圖7 虛擬編組列車制動模型

在基于前車相對速度追蹤列車制動模式下，如果前行列車開始制動，則隨后的列車將執行相同的操作并且在2列列車一起減速時始終保持一定的安全間隔[10]。基于車-車協同理念設計，將前車與后車進行虛擬編組，耦合形成車隊，共同調度和運行，進一步達到縮短運行間隔、提高線路整體運輸能力的目的，可在早晚高峰時便捷地實現列車組隊以提升運能，在平峰時快速分離。在不降低運營密度的情況下，以短編組列車運行實現運能與行車密度之間最佳結合。

目前，中國城軌行業相關單位正在積極開展基于車 -車通信的全自主運行相關技術研發和應用。2020年，青島地鐵主導完成的車-車通信列車控制系統完成試驗線實車測試驗證工作，通過青島地鐵6號線示范工程項目應用前專家評審會；2021年12月，采用車-車通信全自動運行系統的深圳地鐵20號線開通試運行；北京地鐵主導的《智慧城軌新一代智能列車運行系統及平臺示范工程》，研制以虛擬編組為核心的新一代列車控制系統（VCFAO），預計2022年進入實車功能驗證階段。

相較傳統的CBTC系統，基于“車-車”通信的ATCS系統列車最小追蹤間隔可減小30%，系統支持高密度、靈活編組運行能力顯著提升，實現運營階段的增效節能；地面設備配置可減少30%，建設階段可以顯著降低對于設備空間、能耗的需求，助力雙碳目標實現。

3.4 智能運維技術

傳統城軌信號系統大多配置有監測維護系統，但數據獲取、處理功能相對單一，維修模式大多仍局限于計劃性檢修和故障應急維修。在雙碳目標驅動下，基于云平臺、大數據及人工智能技術賦能的信號系統綜合運維平臺逐步得到應用，系統整合實現了設備監測自動化、數據分析智能化、應急處置網絡化、生產管理綜合化等核心功能。系統通過對運營環境，在線設備的狀態、性能進行多層級（系統級、子系統級、設備級、模塊及板卡級）的實時感知，將監測數據實時清洗、存儲、解析，實時形成報警輸出、健康趨勢預測以及應急處置流程等運維指導建議，實現“數據驅動維保”，如圖8所示。

圖8 城軌信號智能運維系統框圖

面向全系統模塊、全業務流程、智能運維技術的廣泛應用，推動信號系統維修模式由故障修向狀態修轉型升級，可在顯著提升系統運維質量和故障處置效率的同時，持續降低系統全生命周期成本。

4 結語

“碳達峰”和“碳中和”戰略的提出對我國城軌行業而言既是挑戰也是機遇，需要統籌規劃、建設、運營、維保等全生命周期和上下游全產業鏈協同發力。信號系統作為城軌安全運行的中樞系統，目前正在致力于由“功能自主可控”向“技術全鏈條自主可控”迭代進化。由此形成的自主化、通用化、網絡化、智能化、精簡化的技術演進策略契合綠色、低碳、可持續發展理念，未來將為構建我國安全、便捷、高效、綠色、經濟的新一代智慧型城軌系統提供支撐。